Referat Kurzvortrag zu den Lanthaniden - 'Die seltenen Erdmetalle'

^{Kurzvortrag zu den Lanthaniden -} 'Die seltenen Erdmetalle'

Gliederung: Historie zu den Lanthaniden

Vorkommen

Allgemeines und Bau der L.

Elektronenstruktur, Oxidationsstufen

Verwendung

Historie zu den Lanthaniden:

vor 200 Jahren wurden erste Lagerst tten eigenartiger Mineralien entdeckt (Schwed. Ort Ytterby)

waren früher nach ihrem Vorkommen in Oxid (früher Erdgemischen) als seltene

Erden bekannt

sind jedoch keine besonders seltenen Elemente

namhafte Chemiker ihrer Zeit beteiligten sich an Erforschung der Mineralien

Trennung und Einordnung der enthaltenen chem. Elemente war auch noch 100 J. sp ter schwierig

erst 1 07 konnte mit Entdeckung des letzten Elements (Ordnz. 7 ) Suche abgeschlossen werden

Scandium, Yttrium, Lanthan + 14 weiteren Lanthaniden (folgend) = Gruppe von

Elementen die sich in ihren chem. Eigenschaften sehr ähnlich sind

folgt aus einer Besonderheit des Atombaus in der Gruppe

Struktur der u eren Elektronenhülle ist bei allen gleich (Elektronenhüllen unterscheiden sich nur in inneren Bereichen, die für chem. Reaktivität nicht von Bedeutung sind)

Vorkommen, Lagerst tten:

größere Vorkommen in Skandinavien, Indien, Russland, Vereinigte Staaten von

Nordamerika

in Lagerst tten treten zahlreiche Mineralien auf, wichtigste ist Monazit - schwerer dunkler Sand (Lanthanidorthophosphat)

in meisten Monazitsanden treten bedeutende Mengen an Thorium (bis zu 30%) auf

La, Ce, Pr, und Nd machen 0% aus, Yttrium und schwereren Elemente den Rest

Monazit und andere Mineralien, die Lanthaniden in der dreiwertigen Stufe enthalten, sind gewöhnlich arm an Europium, das wegen seiner relativ gro en Neigung, in die zweiwertige Stufe berzugehen, oft in Mineralien der Calcium Gruppe angereichert ist

L. kommen in der Natur chemisch gebunden und miteinander vergesellschaftet vor

(am häufigsten als Phosphate in Monazitsand)

ferner in Zernmineralien wie Zerit und Orthit

absoluten Häufigkeiten der Lanthaniden in der Litosphäre sind relativ hoch; werden zwar als selten bezeichnet, kommen aber öfter vor als ein nicht geringer Teil anderer Elemente ( wie z B. Wismut, Arsen, Cadmium, Gold, oder Selen)

. Allgemeines und Bau der Lanthaniden:

genau genommen umfassen Lanthaniden nur die 14 auf Lanthan folgenden Elemente

(nacheinander werden die 14 4f Elektronen zur Lanthankonfiguration hinzugefügt)

- Chemie der stark elektropositiven Elemente zeigt weitgehend ionischen Charakter

> wird durch die Grö e der M + Ionen bestimmt

Yttrium gehört zwar nicht zu Lanthaniden, wird aber aufgrund seiner Lagerst tten und

Ahnlichkeit mit dazugezählt

4 chem. Elemente, deren Kernladungszahlen zwischen 58 und 71

Dichten zwischen 5 und 10 g/cm³

h ufigste Wertigkeit ist III, einige haben au erdem II andere IV)

L. sind in chem. Verhalten einander sehr hnlich liegt an:

gleiche Besetzung der ußeren Elektronenschale mit 2 Valenzelektronen

unterscheiden sich nur in der Auffüllung ihres inneren 4f - Niveaus

daraus ergibt sich kompliziertes Problem der vollständigen Trennung dieser

Elemente

(heutzutage durch Extraktions und Ionenaustauschverfahren möglich)

meisten L. sind weiche, gut w rmeleitende,. an frischer Schnittstelle Silber glänzende

Metalle, werden an Luft sehr schnell von Oxidschicht überzogen

Interessant: radioaktives Promethium

nicht nat rlich auftretend au er in geringen Mengen als Spaltfragment des Urans in

Uranerzen)

seit 926 Beweise f r Existenz des Elements 61 durch optische und röntgengenographsche

Beweise

wahrscheinlich alle Isotope instabil und kurze Halbwertszeiten

heutzutage 1 radioaktive Isotope bekannt

auch andere Lanthanide sind natürlich radioaktive Isotope (z B. Lutetium, Lanthan, Neodym und Samarium)

Elektronenstruktur und Oxidationsstufen:

wie schon gesagt: Lanthaniden Elekrtonenhüllen unterscheiden sich nur in ihren inneren Bereichen; ußer Struktur aber bei allen gleich

sind stark elektropositiv

weitestgehend ionischen Charakter

durch die Grö e der M³+ Ionen bestimmt

alle Lanthaniden bilden M + Ionen

nicht alle Elektronenkonfgurationen der L. sind wegen der gro en Komplexität der

Elektronenspektren bekannt Schwierigkeiten bei Analyse)

einige der L. treten auch in anderen Oxidationsstufen auf(sind jedoch stets weniger beständig als charakt. Gruppenwerigkeiten)

Auftreten von Oxidationsst. 2 und 4 kann teilweise mit Elektronenstruktur in

Beziehung gebracht werden, wenn man annimmt, dass einer leeren, halbbesetzten oder aufgefüllten f- Schale eine besonder Stabilität zukommt

Sc, Y, und La bilden nur M³+ Ionen, da bei der Abgabe von 3 Elektronen die

Edelgaskonfiguration erreicht wird

Lutetium und Gadolinium bilden nur dreiwertige Ionen, weil dann die stabilen 4f 14 bzw. 4f-17 Konfigurationen vorliegen

die stabilsten 2- und 4fach positiven Ionen werden von Elementen gebildet die damit die f 0, f-7 und f14 Konfiuration erlangen

besondere Stabilit t der f , f 7 und f 14 Konf. beim Zustandekommen III

abweichenden Oxydationsstufen der Lanthaniden wichtig

neben der besonderen Stabilität von f-0 7-14 gibt es noch andere thermodynamische und kinetische Fakroren von gleicher Bedeutung bei der Festlegung der Stabilität der Oxydationsstufen

> durch das Vorliegen von Praseodym und Neodym in Kristallgitterstruktur deutliches Zeichen

Ph nomen der Lanthanidenkontraktion:

ist: die stetige Abnahme der Grö e von Atomen und Ionen mit steigender

Ordnungszahl

Lanthan hat somit größten Atomradius, Lutetium kleinster Radius (Abnahme in

NBG L El )

Ursache: unvollst ndige Abschirmung eines Elektrons durch ein anderes in der gleichen Unterschale

Fortschreiten: Zunehmen der Kernladung und Zahl der 4f Eletronen um eins pro

Element)

Abschirmung der 4f Elektronen untereinander schlecht, auf Grund der Form der

Bahnfunktion

durch steigende Kernladung verkleinert sich Grö e der gesamten Schale > das ist

Kontraktion

allerdings nicht gleichm ßig

Abweichung meist entsprechend der Ionengrö e

. Verwendung und Anwendungsgebiete:

Anwendung in Metallurgie

Glas- und Keramikindustrie

Erd lchemie

diverse Legierungen =>magn. Eigenschaften > Herstellung von Dauermagneten

(Samarium in Legierung mit Kobalt zu Dauermagneten)

- Bestandteile von Kleinstmotoren, Magnetlagern, Druckern und andere Elektrogeräte

Oxide der Lanthanide zum polieren technischer Gläser

besondere physikalischen Eigenschaften einzelner Elemente werden genutzt

Lanthan: - in hochwertigen Linsen, zur Erh hung der Lichtintensität

Europium und Yttrium: - farbgebende Phosphore auf Bildschirmen

Yttrium: - Abgas Katalysatoren

wichtiger Bestandteil der 'Lambda Sonde' (Feststoffelektolyt), die den optimalen Sauerstoffanteil im Abgas einstellt

- elektr. Bauteile

Laserkristalle

superleichte Legierungen

Flugzeugbau

neueste Anwendung als keramische Supraleiter und in aufladbaren Batterien als

Lanthan - Nickel Legierung '

Verbesserung der mech. Eigenschaften bei Stahl

Lanthanide in Zukunft für Technik und Forschung immer interessanter und unverzichtbarer

Lanthanide finden fast überall Anwendung

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'Die seltenen Erdmetalle'

Gliederung . Historie zu den Lanthaniden

2. Vorkommen

. Allgemeines und Bau der L.

. Elektronenstruktur, Oxidationsstufen

5. Verwendung

Außere Elektronenkonfiguration der Lanthanidenatome und -ionen und die Radien von M +

==== ===== ==== ===== ==== ===== ===== ==== ===== ==== ===== ==== ===== ===== Ordngsz. Name Symbol Atom M²+ M + M Radien M c)d))

Lanthan

La

d6s²

Xe]

1

_Cer

_Ce

_f²6s²

_4f

_Xe]

₄

_Praseodym

_Pr

_{f s}

_4f²

_f

₃

_Neodym

_Nd

_{f s}

_4f

_4f³

_f²

₅

_Promethium

_Pm

_{f s}

_4f

₉

_Samarium

_Sm

_{f s}

_4f

_4f

₄

_Europium

_Eu

_{f s}

_4f

_4f

₀

_Gadolinium

_Gd

_{f d s²}

_4f

₈

_Terbium

_Tb

_{f s}

_4f

_f

₃

Dysprosium

Dy

_{f 6s²}

_4f

_f

8

_{Holmium Ho f 6s² -- 4f}

_{68 Erbium Er f 6s² -- 4f}

_{69 Thulium Tm f 6s² 4f}

_4f

_{70 Ytterbium Yb f 6s² 4f}

_4f